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Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Adsorption kurzkettiger Kohlenwasserstoffe bei tiefen Temperaturen

Birkmann, Florian

Die Abtrennung kurzkettiger Kohlenwasserstoffe aus Gasen im Spurenbereich gewinnt zu-nehmend an Bedeutung. Hierzu können adsorptive Verfahren verwendet werden. Die Kapazi-tät kommerzieller Adsorbentien für kurzkettige Kohlenwasserstoffe ist unter Umgebungsbe-dingungen gering und kann durch Absenkung der Temperatur gesteigert werden. Problema-tisch ist, dass mit sinkender Temperatur auch die Diffusionsprozesse in den Poren der Adsor-bentien verlangsamt werden. Da zu beiden Effekten keine belastbaren Daten vorliegen, ist das Ziel der vorliegenden Arbeit, zu quantifizieren, wie stark die Beladung der Adsorbentien steigt und wie stark sich die Kinetik der Adsorption im Temperaturbereich zwischen 20 °C und -80 °C verlangsamt. Diese Fragestellung wird durch eine Kombination aus Experimenten an Adsorbensschüttungen und dynamischen Simulationen der Adsorption von Ethan, Propan und n-Butan an kohlenstoffhaltigen und oxidischen Adsorbentien beantwortet. Die Adsorptionsgleichgewichte der Alkane an den untersuchten Adsorbentien zeigen eine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit. Dabei wir durch Absenken der Temperatur die Kapazi-tät für Ethan, Propan und n-Butan in unterschiedlichem Maße erhöht. Der Einfluss der Tem-peratur auf die Gleichgewichtskapazität wird im Bereich hoher Temperaturen und geringer Beladung maßgeblich durch die Stärke der Wechselwirkungen und im Bereich sehr tiefer Temperaturen und hoher Beladungen maßgeblich durch die Größe des Porenvolumens be-stimmt. Dynamische Durchbruchskurvenversuche zeigen mit Absenken der Temperatur eine Erhöhung der Kapazität bei gleichzeitiger Verlangsamung der Kinetik. Die Erhöhung der Kapazität bei einer Temperaturabsenkung von 20 °C auf -80 °C überkompensiert bei allen Stoffsystemen die Verlangsamung der Kinetik. Eine Absenkung zu sehr tiefen Temperaturn (< -40 °C) führt vor allem bei der Adsorption von Ethan zu deutlich höheren Bettausnutzungsgraden. Die dynamische Simulation der experimentellen Durchbruchskurven zeigt, dass einfache Stofftransportmodelle wie das LDF-Modell im Bereich hoher Temperaturen gute Ergebnisse liefern, während im Bereich tiefer Temperaturen komplexere Modelle wie das Diffusionsmo-dell zur genauen Beschreibung notwendig sind. Der intrapartikuläre Diffusionsstrom in den untersuchten mikroporösen Adsorbentien wird durch die Diffusion in der sorbierten Phase dominiert.

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Zitierform:

Birkmann, Florian: Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Adsorption kurzkettiger Kohlenwasserstoffe bei tiefen Temperaturen. 2018.

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